專利名稱：完全整合式導(dǎo)航定位方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明系有關(guān)于一全球定位系統(tǒng)(Global Positiong System，GPS)/慣性測(cè)量?jī)x(Inerial Measurement Unit，IMU)組合導(dǎo)航定位方法和系統(tǒng)，詳而言之，是一完全整合(Full-Coupled)、動(dòng)態(tài)(Kinematic)全球定位系統(tǒng)/慣性測(cè)量?jī)x導(dǎo)航定位方法和系統(tǒng)，以便提高GPS導(dǎo)引的陸地、空中、太空中的運(yùn)載體的導(dǎo)航精度。為滿足末來(lái)的應(yīng)用需求，發(fā)展一種可靠的、高精度、體積小、低成本的GPS/慣性測(cè)量?jī)x組合導(dǎo)航系統(tǒng)是非常有必要的。這種組合導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能操作在高動(dòng)態(tài)且同時(shí)可能有多種情況的GPS信號(hào)丟失和GPS不良信號(hào)的環(huán)境中，以便能提高GPS導(dǎo)引的運(yùn)載體的導(dǎo)航精度。
降低導(dǎo)航系統(tǒng)的成本的主要途徑是使用廉價(jià)的傳感器和部件，這樣，使得組合導(dǎo)航、制導(dǎo)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加具有挑戰(zhàn)性。傳統(tǒng)的導(dǎo)引運(yùn)載體的制導(dǎo)導(dǎo)航系統(tǒng)，主要是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Inertial Navigation System，INS)，它主要由一慣性測(cè)量?jī)x和微外理機(jī)組成。INS的主要優(yōu)點(diǎn)是，它不需任何外部信息支持。不像其它導(dǎo)航系統(tǒng)，INS不能被敵方干擾和欺詐，但不幸地是，INS不能提供遠(yuǎn)程的高精度導(dǎo)航信息。由于慣性傳感器存在誤差，INS誤差隨時(shí)間積累，飛行時(shí)間越長(zhǎng)，誤差越大。開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)陀螺儀的成本隨它的精度要求爾增加。生產(chǎn)高精度的陀螺儀很困難，世界上只有少數(shù)幾個(gè)公司有能力生產(chǎn)高精度的陀螺儀。從某種程度上也反映了高精度INS的陀螺儀的市場(chǎng)極為有限。因此，INS固有的精度特性，表明它不適于應(yīng)用于高精度的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈，需要輸入外部信息，用于校正INS誤差。最近在衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)方面的進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了低成本、高精度的導(dǎo)航。正在進(jìn)行的很多研究，正在致力于一種組合GPS/IMU導(dǎo)航和制導(dǎo)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可用于強(qiáng)干擾和高動(dòng)態(tài)的飛行環(huán)境中。組合GPS/INS系統(tǒng)可使用于低成本、易于制造的IMU，顯然可大大降低系統(tǒng)的成本。
因此，在慣性傳感器、GPS精度及組合GPS/IMU系統(tǒng)等方面的技術(shù)進(jìn)步，將會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)精度可達(dá)到1米的導(dǎo)航系統(tǒng)。技術(shù)挑戰(zhàn)在于提高慣性傳感器和GPS傳感器。以及這些傳感器最優(yōu)組合的軟體和硬體設(shè)計(jì)。對(duì)慣性傳感器來(lái)說(shuō)，目前的趨勢(shì)是開(kāi)發(fā)光纖陀螺、矽微機(jī)械陀螺，振梁加速計(jì)(Resonating beam accelermometer)，矽微機(jī)械加速度計(jì)。利用這些新技術(shù)將會(huì)產(chǎn)生出低成本高可靠性，低成寸，重量輕的新型慣性傳感器，以及使用這些新型慣性傳感器的系統(tǒng)。
對(duì)GPS精度而言，現(xiàn)有的GPS精密定位服務(wù)(Precise Positioning Service)，具有16m(SEP，Sphericalerrorprobable)的設(shè)計(jì)精度，10m(CEP，Circularerrorprobable)的觀測(cè)精度，如果多重GPS量測(cè)被組合在一個(gè)魯棒(Robust)的中心卡爾曼(Kalman)濾波器，用以更新INS，則精度會(huì)更一步提高。濾波器有能力動(dòng)態(tài)校正GPS誤差和慣性誤差。如果濾波器設(shè)計(jì)得更好，大大優(yōu)于8米的導(dǎo)航精度可望達(dá)到。對(duì)精密制導(dǎo)和飛機(jī)的自動(dòng)降落，對(duì)組合導(dǎo)航系統(tǒng)的精度要求是優(yōu)于3米或更好。
提高組合導(dǎo)航系統(tǒng)精度的技術(shù)趨勢(shì)是利用動(dòng)態(tài)GPS精度和開(kāi)發(fā)先進(jìn)的全整動(dòng)態(tài)GPS/IMU組合導(dǎo)航系統(tǒng)，在全整合GPS/INS系統(tǒng)中，GPS接收機(jī)的碼和載波跟蹤環(huán)路被慣性傳感器信息輔助，因而GPS的測(cè)量精度和抗干擾能力被大大提高和加強(qiáng)。在慣性數(shù)據(jù)的輔助下，GPS的快速相位模糊整數(shù)搜索和求解、周跳檢測(cè)和隔離，將在幾秒鐘內(nèi)完成。此外，由于GPS廣域增強(qiáng)技術(shù)(Widearea GPS Enhancement)的出現(xiàn)，GPS現(xiàn)有的設(shè)計(jì)和觀測(cè)精度將會(huì)進(jìn)一步提高。
這樣，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)(Kinematic)GPS/INS組合導(dǎo)航極富挑戰(zhàn)性，特別之處在于組合導(dǎo)航系統(tǒng)的傳感器硬體和算法軟體應(yīng)滿足以下要求1、慣性傳感器目前用于穩(wěn)定、控制和導(dǎo)航系統(tǒng)的傳感器技術(shù)正在外于大的發(fā)展變化之中，這些變化將會(huì)使得慣性傳感器更加廣泛地應(yīng)用于軍用和商業(yè)方面。設(shè)計(jì)和制造慣性傳感器的主要要求是低成本、高可靠性、適當(dāng)?shù)木取⑿〕叽?、重量輕。
1)光纖陀螺(Fiber-opticGyro，F(xiàn)OG)它是環(huán)形激光陀螺(ring lasergyro)的極為經(jīng)濟(jì)的替代品，具有與環(huán)形激光陀螺同樣的性能。
2)矽微機(jī)械陀螺(Siliconmicromechnical Gyros)需要進(jìn)一步減少矽微機(jī)械陀螺的陀螺漂移，以便滿足更多應(yīng)用要求。
3)振梁加速度計(jì)(Resonating beam accele rometer)
4)矽微機(jī)械加速度計(jì)(Siliconmicromechnical acelermometers)2、GPS接收機(jī)對(duì)于GPS接收機(jī)的大小，現(xiàn)有的GPS接收機(jī)卡(OEM，Original equipmentmanufacture)的尺寸已遠(yuǎn)小于一個(gè)香煙盒。用于導(dǎo)引運(yùn)載體的GPS接收機(jī)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)是增強(qiáng)其抗干擾、高動(dòng)態(tài)能力，並降低GPS的測(cè)量噪聲，包括多徑效應(yīng)(Multipatheffects)。
1)在跟蹤環(huán)路帶寬和GPS接收機(jī)抗干擾性能之間的折衷設(shè)計(jì)2)短的首次定位時(shí)間和信號(hào)再捕獲時(shí)間3)直接、快速的p碼捕獲和跟蹤4)碼和載波跟蹤環(huán)路的慣性輔助5)接收機(jī)硬體/軟體的數(shù)字信號(hào)處理6)抗多徑信號(hào)的天線設(shè)計(jì)3、組合系統(tǒng)算法在將來(lái)的GPS/IMU組合導(dǎo)航系統(tǒng)中，全整合設(shè)計(jì)要求GPS量測(cè)和慣性傳感器信息直接在一個(gè)中心導(dǎo)航卡爾曼濾波器中融合。濾波器的輸出可輔助GPS接收機(jī)的信號(hào)跟蹤環(huán)路，以便提高其抗干擾能力。因而，技術(shù)要求將是1)基于多傳感器的系統(tǒng)重構(gòu)2)多模式魯棒(Robust)卡爾曼濾波器3)傳感器故障檢測(cè)和融離4)慣性輔助的運(yùn)動(dòng)中(On-the-fly)相位模糊求解和周跳(Cycleslip)檢測(cè)4)快速傳送對(duì)準(zhǔn)正在出現(xiàn)的新技術(shù)致力于將來(lái)高動(dòng)態(tài)運(yùn)載體的應(yīng)用。傳統(tǒng)上，開(kāi)發(fā)高動(dòng)態(tài)制導(dǎo)的運(yùn)載體的主要的技術(shù)障是運(yùn)載體制導(dǎo)系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性。
本發(fā)明之主要目的在于提供一全整合導(dǎo)航定位處理方法和系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一種新的全整合GPS/IMU算法，它利用GPS載波相位信息求解出高精度的時(shí)間，空間位置和速度信息。它提高了GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)在強(qiáng)干擾和高動(dòng)態(tài)環(huán)境中的性能。
本發(fā)明之另一目的在于提供一全整合導(dǎo)航定位處理方法和系統(tǒng)，其中開(kāi)發(fā)的全整合GPS/INS組合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使得有可能從硬體和軟體上實(shí)現(xiàn)GPS和INS之間的誤差互補(bǔ)和輔助。它為實(shí)現(xiàn)組合系統(tǒng)的硬體和軟體以及用INS數(shù)據(jù)輔助GPS，提供了一個(gè)性能/價(jià)格比較高的方案。
本發(fā)明之另一目的在于提供一全整合導(dǎo)航定位處理方法和系統(tǒng)，其中實(shí)現(xiàn)了一種新的V-A(速度一加速度)輔助GPS信號(hào)跟蹤環(huán)器的算法，它包括碼跟蹤算法和載波跟蹤算法。在這種新的組合GPS/INS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，GPS接收機(jī)的碼和載波跟蹤回路都可以被INS數(shù)據(jù)高速率地進(jìn)行輔助，從而大大提高了GPS接收機(jī)的測(cè)量精度，高動(dòng)態(tài)跟蹤能力，以及抗干擾能力。
本發(fā)明之另一目的在于提供一全整合導(dǎo)航定位處理方法和系統(tǒng)，其中開(kāi)發(fā)出一種新的IMU輔助的寬道(widelane)載波相位模糊求解動(dòng)態(tài)(on-the-fly)算法，可為組合導(dǎo)航卡爾曼濾波器提供精確的載波相位測(cè)量，這種方法也可大大降低模糊整數(shù)求解的搜索時(shí)間，以及提高模糊整數(shù)求解精度。
本發(fā)明之另一目的在于提供一全整合導(dǎo)航定位處理方法和系統(tǒng)，其中，以實(shí)時(shí)方式實(shí)現(xiàn)了一魯棒組合導(dǎo)航卡爾曼濾波器。該濾波器更加有效地利用了所有的量測(cè)信息和先驗(yàn)信息(priorinformation)，用以確定和校正系統(tǒng)誤差。其量測(cè)信息包括GPS偽距(Pseudorange)偽距率(daltarange)，載波相位(carrierphase)。
本發(fā)明之另一目的在于提供一全整合導(dǎo)航定位處理方法和系統(tǒng)，其中發(fā)展了一種為飛機(jī)INS和武器(Munition)INS快速傳送對(duì)準(zhǔn)的新算法，它用以除去戰(zhàn)術(shù)武器的初始位置、速度和姿態(tài)誤差。
本發(fā)明之另一目的在于提供一全整合導(dǎo)航定位處理方法和系統(tǒng)，其中實(shí)現(xiàn)了一個(gè)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)GPS/IMU組合導(dǎo)航軟件，它可為發(fā)展不同水平的GPS/IMU組合導(dǎo)航系統(tǒng)提供一個(gè)工具，這些不同水平的GPS/IMU組合導(dǎo)航系統(tǒng)可適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合。
本發(fā)明之另一目的在于提供一全整合導(dǎo)航定位處理方法和系統(tǒng)，其中，設(shè)計(jì)一導(dǎo)航計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)直接面向軍用/民用/政府的應(yīng)用場(chǎng)合，包括打擊武器，無(wú)人飛行器及其它航空電子平臺(tái)。
本發(fā)明另一目的在于提供一全整合導(dǎo)航定位處理方法和系統(tǒng)，它不僅為提高用于制導(dǎo)運(yùn)載體的導(dǎo)航系統(tǒng)的精度的努力方向，提供了一個(gè)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)和強(qiáng)有力的工具，而且為設(shè)計(jì)用于高動(dòng)態(tài)運(yùn)載體的導(dǎo)航系統(tǒng)所面臨的確點(diǎn)，提供了新的研究方向。
因此，為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用了下列新的技術(shù)措施1、最優(yōu)組合模式位置和速度(P-V)組合方法，沒(méi)有IMU輔助GPS跟蹤環(huán)路的偽距和偽距率組合方法(ρ/Δν+Δθ)，沒(méi)有IMU輔助GPS跟蹤環(huán)路的動(dòng)態(tài)組合ρ+φ/Δν+Δθ方法，有IMU輔助GPS跟蹤環(huán)路的(ρ/Δν+Δθ)的組合方法，擁有IMU輔助GPS跟蹤環(huán)路的動(dòng)態(tài)組合ρ+φ/Δν+Δθ方法，比較現(xiàn)有不同的組合方法，得出全整合動(dòng)態(tài)GPS/IMU組合導(dǎo)航系統(tǒng)的最優(yōu)組合模式。
2、GPS跟蹤環(huán)路的慣性輔助的新技術(shù)GPS/IMU組合導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是開(kāi)發(fā)全整合動(dòng)態(tài)GPS/IMU組合系統(tǒng)，其中GPS接收機(jī)的碼和載波跟蹤環(huán)路受來(lái)自IMU數(shù)據(jù)的輔助。在本發(fā)明中，開(kāi)發(fā)了最新的IMU輔助GPS跟蹤環(huán)路的算法，用以提高GPS在戰(zhàn)術(shù)高動(dòng)態(tài)環(huán)境中的測(cè)量精度和抗干擾能力。
3、新的慣性輔助的載波相位模糊整數(shù)求解技術(shù)高動(dòng)態(tài)的動(dòng)態(tài)GPS導(dǎo)航受制于即時(shí)求解載波相位模糊整數(shù)的能力。IMU輔助的寬道載波相位模糊整數(shù)求解方法可大大縮短在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下模糊整數(shù)求解的搜索時(shí)間和提高求解的精度。這種方法也可用于單頻動(dòng)態(tài)GPS測(cè)量的載波相位模糊整數(shù)的求解。
4、魯棒的中心組合卡爾曼濾波器。開(kāi)發(fā)一個(gè)可靠的魯棒、自適應(yīng)卡爾曼濾波器，它可運(yùn)行于多種動(dòng)態(tài)環(huán)境，以便能預(yù)測(cè)實(shí)際系統(tǒng)的性能。這種濾波器的結(jié)構(gòu)與通常的卡爾曼濾波器相比，有許多優(yōu)點(diǎn)，如大的收斂區(qū)域，平滑的過(guò)度過(guò)程，以及當(dāng)某些狀態(tài)被凍結(jié)時(shí)，如當(dāng)時(shí)鐘和高度保持時(shí)，更保守的建模。此外，這種動(dòng)態(tài)GPS/IMU組合算法的中心濾波方案，也避免了濾波器驅(qū)動(dòng)濾波器方案的濾波器的不穩(wěn)定問(wèn)題。
5、快速傳送對(duì)準(zhǔn)。
在發(fā)展新一代使用低成本IMU的組合導(dǎo)航制導(dǎo)系統(tǒng)中，最富挑戰(zhàn)性的研究課題是發(fā)展一種能用于高動(dòng)態(tài)飛行環(huán)境中的全整合動(dòng)態(tài)GPS/IMU組合導(dǎo)航系統(tǒng)。全整合的含意是IMU和GPS可直接互相補(bǔ)償。IMU得出的速度和加速度信息能被用于輔助GPS接收機(jī)的碼和載波鎖相環(huán)路，以便跟蹤具有多普勒(Doppler)頻移的GPS衛(wèi)星信號(hào)。反過(guò)來(lái)，具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性的高精度GPS位置和速度信息又可用于補(bǔ)償和校正IMU傳感器的偏置和漂移誤差。已有不同水平的硬體和軟體組合方法以滿足應(yīng)用于不同場(chǎng)合的GPS/IMU組合的目的。依據(jù)傳統(tǒng)的分類方法，組合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可分為兩類松耦合和緊耦合系統(tǒng)。通常，松耦合系統(tǒng)有對(duì)GPS和INS的明確定義和要求。例如，松耦合系統(tǒng)需要有來(lái)自GPS和INS的獨(dú)立的導(dǎo)航參數(shù)。但是對(duì)于緊耦合，從獲得GPS和IMU測(cè)量的觀點(diǎn)來(lái)說(shuō)，常常易發(fā)生混淆。例如，無(wú)論是將偽距還是載波相位融合進(jìn)組合卡爾曼濾波器，都會(huì)導(dǎo)致對(duì)GPS接收機(jī)的不同要求和不同的數(shù)據(jù)處理算法。IMU和GPS接收機(jī)之間的信息流動(dòng)依賴于GPS/IMU的不同組合水平。因此，從信息融合的觀點(diǎn)，將GPS/IMU組合系統(tǒng)分為五類AGPS/IMU P-V組合模式傳統(tǒng)上，這種組合模式被稱為松耦合結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，GPS和INS被任為是兩種獨(dú)立的導(dǎo)航系統(tǒng)，如

圖1所示。組合導(dǎo)航參數(shù)是由一個(gè)分離的組合導(dǎo)航卡爾曼濾波器給出的，該濾波器直接利用GPS和INS分別得出的導(dǎo)航參數(shù)(位置，速度，時(shí)間，姿態(tài))。GPS接收機(jī)的位置和速度可周期性地校正INS的導(dǎo)航參數(shù)。理論上，如果GPS接收機(jī)的軟體和硬體能被適當(dāng)設(shè)計(jì)，IMU得出的V-A參數(shù)能輔助GPS接收機(jī)的跟蹤環(huán)路。但是，實(shí)際上這種輔助是困難的，因?yàn)檫@種松耦合結(jié)構(gòu)存在一個(gè)級(jí)聯(lián)(Cascaded Filter)濾波器的性能限制，以致組合卡爾曼濾波器不能為GPS跟蹤環(huán)路提供高速的輔助數(shù)據(jù)。這種GPS/INS P-V組合系統(tǒng)的一個(gè)缺點(diǎn)是，相關(guān)的量測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)降低級(jí)聯(lián)卡爾曼濾波器的性能。設(shè)計(jì)必須是非常小心的，以便保證GPS濾波器輸出的時(shí)間相關(guān)的數(shù)據(jù)，不會(huì)導(dǎo)致組合導(dǎo)航濾波器的不穩(wěn)定。另外一種缺陷是在載體經(jīng)歷動(dòng)態(tài)時(shí)，GPS濾波器常會(huì)出現(xiàn)大的誤差，這種情況下，GPS接收機(jī)迫切需要來(lái)自INS的輔助，這樣又會(huì)進(jìn)一步使相關(guān)性問(wèn)題更為嚴(yán)重。但是松耦合系統(tǒng)的明顯優(yōu)點(diǎn)是，能利用市場(chǎng)上現(xiàn)成的硬體和軟體，可以較為容易地組成一個(gè)組合系統(tǒng)。B無(wú)GPS跟蹤環(huán)路輔助的GPS/IMU(ρ/Δν+Δθ)組合模式在這種組合方式中，組合導(dǎo)航卡爾曼濾波器直接處理來(lái)自GPS和IMU傳感器的原始測(cè)量數(shù)據(jù)。如GPS的偽距、偽距率測(cè)量和IMU的加速度和角速率測(cè)量。因而中心導(dǎo)航濾波器能給出系統(tǒng)唯一的導(dǎo)航參數(shù)。圖2示出這種組合模式的結(jié)構(gòu)。這種組合方式與松耦合方式相比，可大幅度地提高組合導(dǎo)航系統(tǒng)的精度。但是這種組合不能增強(qiáng)GPS跟蹤環(huán)路的動(dòng)態(tài)跟蹤性能力，因?yàn)闆](méi)有進(jìn)行GPS接收機(jī)跟蹤環(huán)路的輔助。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是市場(chǎng)上幾乎所有的GPS接收機(jī)，都可用于這種組合方式，不需要對(duì)GPS接收機(jī)有特殊需求。C有GPS跟以環(huán)路輔助的GPS/IMU(ρ/Δν+Δθ)組合模式傳統(tǒng)上，這種組合方式被稱為緊耦合，這種組合方式與B方式的最明顯的區(qū)別是信息融合的水平以及對(duì)接收機(jī)的要求。這種組合模式要求GPS接收機(jī)必須可以從組合導(dǎo)航卡爾曼濾波器中接收輔助信息，以便于輔助GPS接收機(jī)的信號(hào)跟蹤環(huán)路，而且卡爾曼濾波器必須能輸出輸出高速率的速度和加速度信息，以便GPS接收機(jī)可進(jìn)行輔助處理，圖3示出這種組合方式的結(jié)構(gòu)。這種組合方式以更加緊密的組合方式，更為有效地利用GPS和IMU信息，來(lái)確定和補(bǔ)償系統(tǒng)誤差。它能在高動(dòng)態(tài)和干擾環(huán)境中下，提供更加精確的導(dǎo)航信息。因此其性能要優(yōu)于前面的兩種組合系統(tǒng)。在這種組合方式中，GPS信號(hào)跟蹤環(huán)路的設(shè)計(jì)對(duì)GPS接收機(jī)的硬體和軟體均提出一定的要求，以便能從導(dǎo)航濾波器接收速度和加速度(V-A)輔助信息，這種組合方式的主要優(yōu)點(diǎn)是提高了GPS接收機(jī)的高動(dòng)態(tài)跟蹤能力和抗干擾能力。從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)來(lái)看，其難點(diǎn)在于GPS接收機(jī)的數(shù)字信號(hào)處理、跟蹤環(huán)路的輔助設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)交換及系統(tǒng)組合。D無(wú)GPS跟蹤環(huán)路輔助GPS/IMU的ρ+φ/Δν+Δθ組合模式這種組合模式類似于上述模式B，如圖4所示。區(qū)別在于這種組合模式有一種新的信息融合方式，即利用動(dòng)態(tài)(Kinematic)GPS技術(shù)，以便提高GPS測(cè)量數(shù)據(jù)的精度。GPS載波相位測(cè)量可獲得亞厘米(Sub-Centimeter)級(jí)的測(cè)量精度。但是由于在載波相位測(cè)量中存在相位整數(shù)模糊和周跳(Cycleslip)，限制了使用載波相位獲得高精度定位數(shù)據(jù)的能力，特別在高動(dòng)態(tài)環(huán)境中，動(dòng)態(tài)載波相位模糊求解和周跳檢測(cè)很困難。一但相位模糊和周跳問(wèn)題得已解決，這種組合方式要比上述其它統(tǒng)能獲得更高的定位精度。此外，這種組合方式，除要求GPS接收機(jī)能提供載波相位量測(cè)外，並沒(méi)有其它特別的要求。這種組合方式的主要缺點(diǎn)是不能提高GPS接收機(jī)的動(dòng)態(tài)跟蹤能力。E有GPS跟蹤環(huán)路輔助的GPS/IMUρ+φ/ΔνΔθ組合模式。我們稱這種組合模式為全整合模式，在這種模式中，GPS的所有能獲得的量測(cè)和IMU量測(cè)在一中心導(dǎo)航卡爾曼濾波器中被組合處理。組合之后得出的速度和加速度信息被用來(lái)輔助GPS接收機(jī)的碼和載波跟蹤環(huán)路，以便于提高GPS接收機(jī)在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下的動(dòng)態(tài)跟蹤能力和抗干擾能力。研制這樣的動(dòng)態(tài)GPS/IMU組合導(dǎo)航系統(tǒng)是目前的技術(shù)難點(diǎn)。這種組合方式會(huì)更大地提高組合導(dǎo)航系統(tǒng)的精度，可靠性，動(dòng)態(tài)能力以及抗干擾能力。在過(guò)去，用于GPS/IMU的動(dòng)態(tài)組合方式已有效地應(yīng)用在低動(dòng)態(tài)環(huán)境和航空攝影方面。然而，在以上述方式E實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)GPS/INS組合系統(tǒng)中，僅考慮了相位模糊求解和周跳檢測(cè)問(wèn)題，沒(méi)有進(jìn)一步考慮IMU速度和加速度信息如何用來(lái)輔助GPS接收機(jī)的跟蹤環(huán)路(延遲鎖定環(huán)路或碼環(huán)/DLL和鎖相環(huán)路/PLL)。但是這種組合方式僅能在GPS信號(hào)得到的情況下，可提高組合導(dǎo)航系統(tǒng)的精度，並對(duì)IMU誤差進(jìn)行補(bǔ)償，不能提高GPS的動(dòng)態(tài)跟蹤性能。在這種組合方式中，IMU為GPS接收機(jī)提供估計(jì)的位置和速度，用以降低相位模糊求解的搜索空間。一但GPS接收機(jī)對(duì)GPS信號(hào)失鎖，GPS接收機(jī)和IMU傳感器之間，就沒(méi)有進(jìn)一步的聯(lián)系了。根據(jù)相應(yīng)的性能價(jià)格比、倆者的協(xié)作性以及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和柔性，上述每一種組合方式均有它的優(yōu)點(diǎn)。但是，用在現(xiàn)有組合系統(tǒng)中的量測(cè)主要是GPS的偽距和偽距率以及IMU的加速度和角速率信息。IMU得出的速度主要用來(lái)輔助載波頻率跟蹤環(huán)路的頻率鎖定(在碼匹配之前，移去多普勒頻移)，以便于碼延時(shí)測(cè)量，並非是為了載波相位測(cè)量。因而，測(cè)距精度受制于碼跟蹤環(huán)路的帶寬和分辨率。特別是在高動(dòng)態(tài)的環(huán)境下，為捕獲GPS信號(hào)，GPS接收機(jī)的無(wú)輔助的載波跟蹤環(huán)路的帶寬須足夠大，以便于適應(yīng)由高動(dòng)態(tài)所引起的GPS信號(hào)頻率和相位的快速變化。如果沒(méi)有外部輔助，要達(dá)這一目的是相當(dāng)困難得，因?yàn)槭褂酶鼘挼膸?，將?huì)導(dǎo)致進(jìn)入跟蹤環(huán)的干擾噪過(guò)大。在本專發(fā)利中，開(kāi)發(fā)了一個(gè)完全整合動(dòng)態(tài)GPS/IMU組合導(dǎo)航算法(FCKGA)，它利用了本發(fā)明中開(kāi)發(fā)的獨(dú)特技術(shù)，如魯棒的中心卡爾曼濾波器，IMU輔助的動(dòng)態(tài)寬道相位模糊整數(shù)求解，IMUV-A輔助的跟蹤環(huán)路。FCKGA的成功開(kāi)發(fā)導(dǎo)致了一個(gè)先進(jìn)的導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)1)硬體水平的余度在全耦合組合方式，GPS接收機(jī)僅是組合導(dǎo)航系統(tǒng)其中的一個(gè)傳感器(GPS陀螺和加速度運(yùn))，對(duì)GPS導(dǎo)航計(jì)算來(lái)說(shuō)，至少跟蹤4顆衛(wèi)星的要求被大大放寬了。通過(guò)容錯(cuò)軟體(Fault-Tolerant Software)的設(shè)計(jì)，硬體水平的余度有助于增強(qiáng)整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。
2)使用低成本的IMU傳感器在基于FCKGA的系統(tǒng)中，精確的定位結(jié)果可在空中對(duì)IMU傳感器誤差進(jìn)行校正，這樣在組合導(dǎo)航系統(tǒng)中，可使用低成本的非慣性級(jí)的慣性傳感器。
3)最小的跟蹤環(huán)路帶寬和高度的抗干擾性能在完全整合模式下，組合導(dǎo)航濾波器的V-A參數(shù)被轉(zhuǎn)換為沿組合導(dǎo)航系統(tǒng)到GPS術(shù)星的視線方向的V-A信息，並將之高速率地反饋給GPS接收機(jī)的信號(hào)處理機(jī)，用以補(bǔ)償高動(dòng)態(tài)的影響。這樣跟蹤環(huán)路的帶寬可降到最小，以便阻止不希望的干擾噪聲進(jìn)入跟蹤環(huán)路。
4)動(dòng)態(tài)、快速的相位模糊求解和周跳檢測(cè)。該組合導(dǎo)航系統(tǒng)的精確的定位數(shù)據(jù)，可用來(lái)計(jì)算衛(wèi)星和導(dǎo)航系統(tǒng)之間的距離。計(jì)算的距離與測(cè)量的距離相比較，其結(jié)果可用來(lái)檢測(cè)周跳以及降低相位模糊求解的搜索空間。
5)高的導(dǎo)航精度該組合導(dǎo)航系統(tǒng)使用具有厘米測(cè)量精度的動(dòng)態(tài)GPS技術(shù)，明顯地提高了導(dǎo)航精度，一但大氣延遲，選擇可用性(使用雙頻和授權(quán)的GPS接收機(jī))，以及相位模糊求解和周跳問(wèn)題被解決，則組合導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航誤差，僅依賴于IMU傳感器誤差的被補(bǔ)償?shù)某潭?。組合導(dǎo)航系統(tǒng)同時(shí)並執(zhí)行IMU動(dòng)態(tài)校正和對(duì)準(zhǔn)，這樣，組合導(dǎo)航的輸出數(shù)據(jù)率等于INS的數(shù)據(jù)輸出率。
第1圖是GPS/INS P-V組合模式的結(jié)構(gòu)第2圖是無(wú)GPS跟蹤環(huán)路輔助的GPS/IMU(ρ/Δν+Δθ)組合模式的結(jié)構(gòu)第3圖是有GPS跟蹤環(huán)路輔助的GPS/IMU(ρ/Δν+Δθ)組合模式的結(jié)構(gòu)第4圖是無(wú)GPS跟蹤環(huán)路輔助的GPS/IMU(ρ+φ/Δν+Δθ)組合模式的結(jié)構(gòu)第5圖是有GPS跟蹤環(huán)路輔助的GPS/IMU(ρ+φ/Δν+Δθ)組合模式的結(jié)構(gòu)第6圖是INS輔助的DPLL方塊圖第7圖是IMU輔助的碼跟蹤環(huán)器的模型的方塊圖第8圖是IMU輔助的動(dòng)態(tài)相位模糊求解方塊圖第9圖是慣性導(dǎo)航計(jì)算框圖第10圖是組合卡爾曼濾波器的方塊圖第11圖是完全整合式定位系統(tǒng)的方塊圖本發(fā)明為空中、陸地和太空的運(yùn)載體提供了一種完全整合式定位方法和系統(tǒng)，它使用來(lái)自GPS和性慣測(cè)量?jī)x的量測(cè)信息，以便于提高導(dǎo)航性能。參見(jiàn)第5圖，本發(fā)明提供的一種全整合式定位方法，包括下列步驟1)從一慣性測(cè)量?jī)x表收運(yùn)載體的角速率和加速率信息，或從其它外部傳感器接收運(yùn)載體的位置，速度，姿態(tài)測(cè)量，計(jì)算IMU導(dǎo)航算法的初始值；2)接收GPS的RF(Radio frequency)信號(hào)，導(dǎo)出GPS的偽距、偽距率和載波相位測(cè)量；3)接收來(lái)自慣性測(cè)量?jī)x的角速率和加速度信息，求解導(dǎo)航方程，得出慣性導(dǎo)航參數(shù)，如位置，速度，姿態(tài)等。
4)混合GPS偽距，偽距率，載波相位測(cè)量，以及慣性導(dǎo)航參數(shù)，獲得全整合式定位信息。為了獲得更好的性能，在第2步驟中，GPS信號(hào)是由GPS接收機(jī)的載波鎖相環(huán)路和碼跟蹤環(huán)路跟蹤的，GPS接收機(jī)的載波鎖相環(huán)路和碼跟蹤環(huán)路是由來(lái)自第4步驟的完全整合式的定位信息進(jìn)行輔助處理的。為了獲得更好的性能，在第3步驟中，慣性導(dǎo)航參數(shù)的誤差可由第4步驟中得出的慣性導(dǎo)航參數(shù)誤差的最優(yōu)估計(jì)進(jìn)行誤差補(bǔ)償。為了獲得更好的性能，在第2步驟進(jìn)一步包含一個(gè)處理步驟(2A)，即為載波相位模糊整數(shù)求解和周跳檢測(cè)，以便能將高精度的載波相位測(cè)量，納入第4步驟的混合處理。為了獲得更好的性能，第2步驟進(jìn)一步包含一個(gè)外理步驟，即用來(lái)自第4步驟得出的全整合的定位信息輔助載波相位模糊整數(shù)求解和周跳檢測(cè)處理。為了獲得更好的性能，第4步驟可采用一卡爾曼濾波器。為了獲得更好的性能，第4步驟可采用一多模式卡爾曼濾波器。為了獲得更好的性能，第4步驟可采用一個(gè)魯棒(Robust)卡爾曼濾波器。來(lái)自IMU(5)的機(jī)體角速率和加速度測(cè)量，在導(dǎo)航求解模塊(40)中進(jìn)行處理，其結(jié)果被送入組合卡爾曼濾波器(60)，組合卡爾曼濾波器得出的慣性導(dǎo)航參數(shù)誤差的最優(yōu)估計(jì)被反饋給導(dǎo)航求解模塊(40)，進(jìn)行位置，速度，姿態(tài)及慣性傳感器誤差的補(bǔ)償。GPS天線收到的GPS信號(hào)，分別經(jīng)GPSRF/IF單元(10)，載波和碼跟蹤環(huán)路(20)，載波相位模糊整數(shù)求解模塊(50)，導(dǎo)航信息解碼模塊(30)處理，其結(jié)果被送入卡爾曼濾波器(60)。組合卡爾曼濾波器(60)的最優(yōu)速度和加速度信息被反饋回載波和碼跟蹤回路，用以輔助GPS信號(hào)的跟蹤處理，導(dǎo)航求解模塊的位置，速度，姿態(tài)被輸入到載波相位模糊整數(shù)求解模塊(50)，用以輔助GPS載波相位模糊整數(shù)求解。在第一步驟中，動(dòng)態(tài)GPS/IMU組合在進(jìn)入正常工作之前，須經(jīng)過(guò)一個(gè)IMU初始化過(guò)程，其中初始位置，速度和姿態(tài)信息需要被提供給導(dǎo)航求解模塊(40)的導(dǎo)航方程。第一步驟中，有三種IMU初始化方法。(1-1)IMU的自主初始對(duì)準(zhǔn)這種方法只能用于地面靜止?fàn)顟B(tài)。第1-1步驟需要的輸入信號(hào)是重力，地球旋轉(zhuǎn)角速率，經(jīng)度。IMU(5)的加速度計(jì)敏感的重力信號(hào)用來(lái)確定當(dāng)?shù)厮矫?，IMU(5)的陀螺的地球旋轉(zhuǎn)角速率用來(lái)確定方位角敏感。第1-1步驟輸出位置，速度，姿態(tài)，估計(jì)的慣性傳感器誤差給導(dǎo)航求解模塊(40)的導(dǎo)航方程。(1-2)傳遞對(duì)準(zhǔn)如果IMU是裝在一個(gè)發(fā)射平臺(tái)的戰(zhàn)術(shù)武器上，第1-2步驟處理戰(zhàn)術(shù)武器和發(fā)射平臺(tái)IMU的測(cè)量和導(dǎo)航參數(shù)。戰(zhàn)術(shù)武器和發(fā)射平臺(tái)的IMU的測(cè)量和導(dǎo)航參數(shù)被輸出給一傳送對(duì)準(zhǔn)處理模塊。在傳遞對(duì)準(zhǔn)處理模塊中，傳遞對(duì)準(zhǔn)濾波器處理這些導(dǎo)航參數(shù)和測(cè)量參數(shù)，為戰(zhàn)術(shù)武器的IMU提供最優(yōu)的初始化信息。(1-3)GPS空中對(duì)準(zhǔn)如果GPS接收機(jī)被選為IMU初始化過(guò)程的一個(gè)外部傳感器，GPS位置和速度以及一個(gè)不精確的姿態(tài)參數(shù)被首先作為IMU導(dǎo)航方程的初值，之后GPS信號(hào)被用來(lái)對(duì)IMU進(jìn)行連續(xù)的初始對(duì)準(zhǔn)。參見(jiàn)圖5，第二步驟進(jìn)一步包括下列步驟第2-1步驟接收到的GPS信號(hào)被輸入到GPSRF/IF模式(10)。GPS RF(Radiofrequency)信號(hào)被放大，下變頻到IF(Intermediate Frequency)信號(hào)。GPS中頻信號(hào)被放大和低通濾波，並被轉(zhuǎn)換為GPS基帶(baseband)信號(hào)。模擬(analog)的GPS基帶信號(hào)在模擬一數(shù)字變換器內(nèi)被采樣變換或數(shù)字信號(hào)，並被輸入給載波和碼跟蹤環(huán)路(20)。第2-2步驟來(lái)自GPSRF/IF模塊(10)的GPS數(shù)字信號(hào)和來(lái)自組合卡爾曼濾波器(60)的速度和加速度輔助信號(hào)被輸入載波和碼跟蹤環(huán)路(20)。載波和碼跟蹤環(huán)路(20)包括載波相位鎖定環(huán)路和早一遲數(shù)字延遲鎖定環(huán)路，以便跟蹤GPS衛(wèi)星信號(hào)。載波和碼跟蹤環(huán)路(20)輸出GPS偽距，偽距率以及載波相位測(cè)量給相位模糊求解模塊(50)。載波和碼跟蹤環(huán)路(20)恢復(fù)出來(lái)的載波和碼被輸出給信息解碼模塊(30)。
參見(jiàn)圖5和圖6，來(lái)自GPSRF/IF模塊(10)的第i節(jié)拍的GPS數(shù)字信號(hào)為s(i)=2PCA[(1+ζ)iTs-ξTc]cos[(ωb+ωd)i+φ0]+n(i)]]>這里P是信號(hào)功率，CA[ ]是幅度為土1的PRN碼，它的碼速率為R，與GPS信號(hào)的發(fā)出時(shí)刻延遲了τ＝ζTc(Tc為碼片寬度)。
ωb(＝2πfbTs)，ωd(＝2πfdTs)分別是相應(yīng)于基帶載波頻率fb和多普勒頻移fd的采樣信號(hào)角頻率(Ts是采樣同期)。
φ0是當(dāng)i＝0時(shí)，信號(hào)載波相位初值n(i)是基帶的輸入等效的帶限高斯噪聲。碼速率R的于(1+ζ)R0，這里，ζ＝fd/fc是碼相應(yīng)的普勒頻移。R0是沒(méi)有多勒頻移的碼速率。來(lái)自GPSRF/IF模塊(10)的GPS數(shù)字信號(hào)與來(lái)自載波NCO(2010)的參考同相信號(hào)和正交信號(hào)，分別在混頻器(201)和混頻器(203)中相乘，混頻器(201)和混頻器(203)的輸出信號(hào)又與來(lái)自碼跟蹤環(huán)路的碼產(chǎn)生器(2017)的準(zhǔn)時(shí)PRN(Psendo Random Noise)碼，分別在混合器(202)和混合器(204)中相乘，以便于移去調(diào)制在載波頻率上的輸入的PRN碼。這個(gè)過(guò)程被稱為解擴(kuò)(Despreading Operation)。移去偽隨機(jī)碼之后，GPS信號(hào)的SNR(signal-noise ratio)被增加了，這是由解擴(kuò)操作的解擴(kuò)增益帶來(lái)的?；旌掀?202)的輸出被送入累加器(206)，並被累加，混合器(204)的輸出被送入累加器(205)，並被累加，累加器(206)輸出的同相信號(hào)為I(k)=P/2R(τ-τ^)sinc[(Δωd)kN/2]cos[θ(k)-θ^(k)]+nI(k)]]>該信號(hào)被輸出給載波相位鑒別器(207)累加器(205)輸出的正交信號(hào)為Q(k)=P/2R(τ-τ^)sinc[(Δωd)kN/2]sin[θ(k)-θ^(k)]+nQ(k)]]>該信號(hào)被輸出給載波相位鑒別器(207)這里 是第K節(jié)拍的多普勒頻移的估計(jì)誤差，θ(k)， 分別是輸入信號(hào)和本地NCO信號(hào)的相位nI(k)，nQ(k)分別是I(k)和Q(k)的相應(yīng)的噪聲。載波相位鑒別器(207)以(fs/N)的速率輸出同相和正交信號(hào)的相關(guān)結(jié)果。這里，fs是采樣速率，N是在每個(gè)DDLL相關(guān)間隔的采樣數(shù)據(jù)的數(shù)目。在載波相位鑒別器(207)中的同相和正交信號(hào)進(jìn)行反正切(antangent)相位檢測(cè)處理，得出的相位誤差為e(k)＝arctan[Q(k)/I(k)]＝g[ε(k)]+nθ(k)e(k)∈[-π，+π]這里g[ ]是相位鑒別器的特性函數(shù) 是輸入信號(hào)無(wú)噪聲時(shí)的相位跟蹤誤差nθ(k)∈(-π-g[ε(k)]，+π-g[ε(k)]是由輸入信號(hào)中的噪聲引起的相位擾動(dòng)。這樣，載波相位鑒別器(207)的特性曲線在2π之內(nèi)是線性的g[ε(k)]＝ε(k)mod[-π，+π]載波相位鑒別器(207)輸出相位跟蹤誤差給環(huán)路濾波器(208)。環(huán)路濾波器(208)是數(shù)字濾波器，通常以一階，二階，或三階方式實(shí)現(xiàn)。相位跟蹤誤差信號(hào)中的噪聲被環(huán)路濾波器(208)濾除，濾除噪聲之后的相位跟蹤誤差被環(huán)路濾波器(208)輸出給相加器(209)。來(lái)自環(huán)路濾波器(208)的相位跟蹤誤差信號(hào)，被相加器(209)接收。並與來(lái)自組合卡爾曼濾波器(60)的IMU輔助信號(hào)相加，其結(jié)果被輸出給載波NCO(Numerically-Controlled Oscillator)(2010)。為了進(jìn)行GPS非相干(Non-Coherently)相關(guān)處理(在載波相位捕獲中)和相干(Coherently)相關(guān)處理，載波NCO(2010)使用輸入的相位跟蹤誤差進(jìn)行調(diào)整。以采樣速率為fs產(chǎn)生本地同相和正交參考信號(hào)。載波NCO(2010)輸出本地同相信號(hào)給混頻器(201)，輸出本地正交信號(hào)給混頻器(203)，輸出GPS偽距率和載波相測(cè)量給相位模糊求解模塊(50)。參見(jiàn)第7圖所示，早一遲數(shù)字鎖定環(huán)路(DDLL)，與載波相位鎖定環(huán)路協(xié)作，並受IMU數(shù)據(jù)輔助。用來(lái)實(shí)現(xiàn)以下兩個(gè)目的1)碼跟蹤環(huán)路提供輸入信號(hào)碼和接收機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的準(zhǔn)時(shí)碼之間的最大時(shí)間漂移的估計(jì)值，該時(shí)延信息用來(lái)計(jì)算用戶到衛(wèi)星之間距離估計(jì)，該距離估計(jì)被稱為偽距2)從碼跟蹤處理得出的同步碼被用來(lái)解擴(kuò)GPS信號(hào)，解擴(kuò)后的GPS信號(hào)被輸入接收機(jī)的載波跟蹤環(huán)路，以便于進(jìn)行載波跟蹤和導(dǎo)航數(shù)據(jù)的解調(diào)(demodulation)。典型的GPS接收機(jī)使用非相干延時(shí)鎖定環(huán)路(NCDLL)作為它的碼跟蹤環(huán)路。這種環(huán)路常被稱為“早一遲”，延時(shí)鎖定環(huán)路，它的提前碼和延時(shí)碼是由壓控振蕩器產(chǎn)生的，相干DLL也用于一些GPS接收機(jī)，它要求並行的載波相位跟蹤(因此具有相干的特性)。相干DLL的最大內(nèi)在缺點(diǎn)是當(dāng)出現(xiàn)周跳和碼位誤差時(shí)，碼跟蹤環(huán)路將會(huì)失鎖，這是因?yàn)橄喔蒁LL只有為相位跟蹤成功時(shí)，才能正常工作。相干DLL僅是用于一些一些要求相位跟蹤的場(chǎng)合。因此，這里僅給出IMU輔助的NCDLL處理。來(lái)自混合器(201)和混合器(203)的輸出以及來(lái)自碼產(chǎn)生器(2017)的“早”和“遲”本地碼被相關(guān)器(2011)接收，並進(jìn)行相關(guān)處理，其結(jié)果被輸出給DLL鑒別器(2012)來(lái)自相關(guān)器(2011)的相關(guān)結(jié)果，是碼相位跟蹤誤差的函數(shù)，並由DLL鑒別器接收，用來(lái)提取碼相位跟蹤誤差，得出的碼相位跟蹤誤差被輸出給低通濾波器(2013)，以便濾除碼相位跟蹤信號(hào)中的噪聲。由DLL鑒別器(2012)得出的碼相位跟蹤誤差，受輸入噪聲的擾動(dòng)，低通濾波器(2013)對(duì)之進(jìn)行濾波，經(jīng)過(guò)濾波的碼相位跟蹤誤差，被輸出給相加器(2014)。低通濾波器(2013)是一數(shù)字濾波器，通常以一階，二階或三階方式實(shí)現(xiàn)。來(lái)自低通濾波口(2013)的碼跟蹤誤差與來(lái)自組合卡爾曼濾波器(60)的IMU輔助數(shù)據(jù)即多普勒輔助信號(hào)，在相加器(2014)中相加。相加器(2014)的輸出信號(hào)與正常的碼速率信號(hào)，在相加器(2015)中相加，其結(jié)果被輸出到碼NCO(2016)。碼NCO(2016)輸出PRN碼給碼產(chǎn)生器(2017)，碼產(chǎn)生器(2017)產(chǎn)生並輸出本地“早“，”遲“和準(zhǔn)時(shí)碼給相關(guān)器(2011)，產(chǎn)生並輸出GPS偽距測(cè)量給相位模糊求解模塊(50)。經(jīng)過(guò)載波相位鎖定環(huán)路和碼延時(shí)鎖定環(huán)路的處理，接收到的GPS信號(hào)的載波和碼已被恢復(fù)。來(lái)自GPS/IF模塊(10)的GPS信號(hào)以及來(lái)自載波和碼跟蹤環(huán)路(20)的恢復(fù)出來(lái)的載波和碼被輸出給導(dǎo)航信息解碼模塊(30)，導(dǎo)航信息解碼模塊(30)解調(diào)出GPS衛(wèi)星的星歷數(shù)據(jù)，並輸出給組合卡爾曼濾波器(60)。參見(jiàn)第8圖，在第2A和2B步驟中，更高精度的定位結(jié)果是通過(guò)使用載波相位測(cè)量而不是僅使用偽距測(cè)量獲得的。這是因?yàn)镚PS衛(wèi)星L1載波頻率為1575.42MH2，波長(zhǎng)為19cm，而C/A碼的一個(gè)周期約等于300m。使用GPS載波相位測(cè)量進(jìn)行定位的一個(gè)前提條件是已求解出相位整數(shù)模糊。載波相位測(cè)量中的整數(shù)模糊本質(zhì)上與接收機(jī)和衛(wèi)星有關(guān)。如果在理想條件下，即假定載波相位檢測(cè)沒(méi)有誤差並且精確知道接收機(jī)和衛(wèi)星的位置，則可通過(guò)一簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)運(yùn)算。立即得出模糊整數(shù)。然而由于在碼跟蹤環(huán)路的距離測(cè)量中，存在衛(wèi)星星歷誤差，衛(wèi)星時(shí)鐘偏置，大氣傳播延時(shí)，多徑效應(yīng)，以及接收機(jī)噪聲，我們僅能得到從接收機(jī)到衛(wèi)星的不精確的幾何距離，被稱之為偽距。IMU輔助的相位模糊求解與周跳檢測(cè)的方法的優(yōu)點(diǎn)是，來(lái)自經(jīng)過(guò)校正的INS的精確的載體之位置和速度，能被用來(lái)計(jì)算初始的模糊整數(shù)及其搜范圍。此外，INS輔助的信號(hào)跟蹤也會(huì)增強(qiáng)接收機(jī)保持GPS信號(hào)的能力，降低信號(hào)失鎖和出現(xiàn)周跳的概率。GPS衛(wèi)星發(fā)射之信號(hào)的載波頻率可分為L(zhǎng)1和L2載波頻率。根據(jù)設(shè)計(jì)的不同，一個(gè)GPS接收機(jī)可接收GPS單頻信號(hào)或GPS雙頻信號(hào)。多模式載波相位模糊整數(shù)求解算法(504)包含下列模式1)使用單頻數(shù)據(jù)求解模糊整數(shù)。
2)使用雙頻數(shù)據(jù)求解模糊整數(shù)。
3)使用混合雙頻數(shù)據(jù)和碼數(shù)據(jù)，以及來(lái)自GPS/IMU組合濾波器的輔助數(shù)據(jù)，求解模糊整數(shù)。當(dāng)不能獲得雙頻數(shù)據(jù)時(shí)，單頻數(shù)據(jù)以及用來(lái)自組合卡爾曼(60)的數(shù)據(jù)和來(lái)自衛(wèi)星預(yù)利算法(502)的數(shù)據(jù)用來(lái)求解相位整數(shù)模糊。當(dāng)雙頻數(shù)據(jù)可以得到時(shí)，寬道技術(shù)被用來(lái)提取寬道相位模糊整數(shù)。使用INS輔助，寬道相位模糊整數(shù)可被快速確定。參見(jiàn)第8圖，來(lái)自電離層(Inonespheric)和平流層(troposheric)和衛(wèi)星模型模塊(501)的輸出數(shù)據(jù)，來(lái)自衛(wèi)星預(yù)測(cè)算法模塊(502)的輸出數(shù)據(jù)，來(lái)自多模式周跳檢測(cè)和修復(fù)模塊(503)的輸出數(shù)據(jù)，來(lái)自組合卡爾曼濾波器的輸出數(shù)據(jù)，載波和碼跟蹤環(huán)路(20)的輸出數(shù)據(jù)，被多模式相位模糊求解(504)接收，用以求出載波相位模糊整數(shù)，求出載波相位模糊整數(shù)之后，GPS偽距，偽距運(yùn)，載波相位測(cè)量被模糊求解模塊(50)送入組合卡爾曼濾波器(60)。導(dǎo)航信息解碼模塊得出的GPS衛(wèi)星星歷被衛(wèi)星預(yù)測(cè)算法模塊(502)接收，用來(lái)計(jì)算GPS衛(wèi)星位置和速度，並將之輸入多模式相位模糊求解模塊(504)。電離層模型和平流層模型和衛(wèi)星時(shí)鐘模型模塊(501)對(duì)GPS信號(hào)電離層和平流層傳播效應(yīng)和GPS衛(wèi)星時(shí)鐘誤差進(jìn)行建模。電離層模型和平流層模型和衛(wèi)星時(shí)鐘模型模塊(501)計(jì)算GPS信號(hào)的電離層和對(duì)流層的傳播時(shí)延和GPS衛(wèi)星時(shí)鐘誤差，並將之輸出給多模式模糊求解模塊(504)。來(lái)自組合卡爾曼濾波器(60)的GPS接收機(jī)位置和GPS衛(wèi)星位置被多模式周跳檢測(cè)和修復(fù)算法模塊(504)接收，該模塊包括周跳檢測(cè)算法和修復(fù)算法。周跳檢測(cè)算法包括一些檢驗(yàn)算法。第一個(gè)檢驗(yàn)算法是檢驗(yàn)載波相位。這種方法常會(huì)導(dǎo)致周跳檢測(cè)的失敗，這是由于載波相位受多個(gè)時(shí)間獨(dú)立的誤差項(xiàng)擾動(dòng)。第二個(gè)方法是雙頻相位混合，相位/碼混合方法也用在多模式周跳檢測(cè)算法中。最后一種方法是利用來(lái)自組合卡爾曼濾波器(60)的速度信息來(lái)檢測(cè)和修復(fù)周跳。一但多模式周跳檢測(cè)算法模塊(504)檢測(cè)到周跳發(fā)生，則進(jìn)一步確定周跳的大小和位置。修復(fù)是通過(guò)使用一個(gè)固定值校正這個(gè)衛(wèi)星的載波相位觀測(cè)量和所有后續(xù)相位觀測(cè)量。修復(fù)之后，多模式周跳檢測(cè)和修復(fù)算法(503)輸出修復(fù)好的載波相位給多模式模糊求解模塊(504)。來(lái)自組合卡爾曼濾波器(60)的GPS接收機(jī)的位置和速度以及位置和速度誤差的方差，被送入多模式模糊求解模塊(504)和多模式周跳檢測(cè)和修復(fù)算法模塊(503)，以便于提取衛(wèi)星和GPS接收機(jī)之間的幾何距離，以及求解模糊整數(shù)的搜索范圍。來(lái)自載波和碼跟蹤環(huán)路(20)的GPS的偽距，偽距運(yùn)，載波相位測(cè)量被輸入到多模式模糊整數(shù)求解模塊(504)。參見(jiàn)第9圖，在第3步驟中，來(lái)自IMU(5)的陀螺敏感的機(jī)體角速率，被輸入姿態(tài)矩陣計(jì)算模塊(401)。來(lái)自IMU(5)的機(jī)體角速率，來(lái)自導(dǎo)航計(jì)算模塊(404)的當(dāng)?shù)貙?dǎo)航坐標(biāo)系(n系)到慣性坐標(biāo)系(i系)的旋轉(zhuǎn)向量，以及來(lái)自組合卡爾曼濾波器(60)姿態(tài)誤差估計(jì)，被姿態(tài)矩陣計(jì)算模塊(401)接收，用以更新姿態(tài)矩陣，並補(bǔ)償其誤差。更新姿態(tài)矩陣的方法包括歐拉法(Eular)，方向余弦法(directioncosine)，以及四元數(shù)方法。姿態(tài)矩陣被姿態(tài)矩陣計(jì)算模塊(401)輸出給姿態(tài)角計(jì)算模塊(403)，用以從姿態(tài)矩陣中提取俯仰角，模流角，以及航向角，並作為INS導(dǎo)航輸出參數(shù)的一部份。來(lái)自IMU(5)的加速度計(jì)測(cè)量的加速度是表達(dá)在機(jī)體坐標(biāo)系的，它和來(lái)自姿態(tài)矩陣計(jì)算模塊(401)的姿態(tài)矩陣被姿態(tài)矩陣變換模塊(402)接收。輸入的表達(dá)在機(jī)體坐標(biāo)系中的加速度被姿態(tài)矩陣變換模塊(402)轉(zhuǎn)換為表達(dá)在導(dǎo)航坐標(biāo)系(n系)的加速度，並將之輸出給導(dǎo)航計(jì)算模塊(404)。來(lái)自姿態(tài)矩陣變換模塊(402)的表達(dá)在導(dǎo)航坐標(biāo)系的加速度和來(lái)自組合卡爾曼濾波器的位置誤差和速度誤差的最優(yōu)估計(jì)被導(dǎo)航計(jì)算模塊(404)接收，用以計(jì)算位置，速度，並被補(bǔ)償位置和速度中的誤差，計(jì)算從當(dāng)?shù)貙?dǎo)航坐標(biāo)系到慣性坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)向量。位置和速度作為INS導(dǎo)航參數(shù)的一部份由導(dǎo)航計(jì)算模塊(404)輸出給組合卡爾曼濾波器(60)，從當(dāng)?shù)貙?dǎo)航坐標(biāo)系列慣性坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)向量被導(dǎo)航計(jì)算模塊(404)輸出到姿態(tài)計(jì)算模塊(401)。眾所周知，實(shí)時(shí)卡爾曼濾波器能給出最優(yōu)的狀態(tài)估計(jì)。這些估計(jì)是無(wú)偏的，在最小無(wú)偏線性估計(jì)中，其方差最小。然后，只有假定的數(shù)字模型符合實(shí)際，其估計(jì)精度才能保證。任何模型的不準(zhǔn)確，都可能導(dǎo)致估計(jì)結(jié)果的無(wú)效。因此，尋找一種新的方法，可檢證假定數(shù)字模型的有效性是非常重要的。特別是在組合GPS/IMU導(dǎo)航系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)卡爾曼濾波器成功應(yīng)用的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)適當(dāng)大小的濾波模型用以預(yù)測(cè)系統(tǒng)的性能，同時(shí)能滿足外理機(jī)吞咄量的限制。在基于FCKGA的組合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，濾波器須足夠魯棒，能運(yùn)行在不同的動(dòng)態(tài)環(huán)境中，因?yàn)榛贔CKGA的組合導(dǎo)航系將應(yīng)于一大類軍用/民用的移動(dòng)平臺(tái)上，如戰(zhàn)術(shù)武器，無(wú)人飛行器，智能炸彈，精確打擊武器及其它航空電子系統(tǒng)。如果動(dòng)態(tài)變化激烈，或出現(xiàn)傳感器故障，如GPS衛(wèi)星信號(hào)故障，或慣性傳感器故障，濾波器必須能檢測(cè)，改正，融離故障，最終重構(gòu)(reconfigure)組合導(dǎo)航系統(tǒng)。只管濾波器的完整性和魯棒性通常分開(kāi)獨(dú)立研究，但事實(shí)上它們是密不可分的。一個(gè)魯棒的卡爾曼濾波器能在一大類系統(tǒng)和量測(cè)模型下，提供接近最優(yōu)的性能。標(biāo)準(zhǔn)的卡爾曼濾波器不是魯棒的，因?yàn)樗鼉H能對(duì)某一特定的系統(tǒng)和量測(cè)模型提供最優(yōu)的性能。如果濾波器不正確，則濾波器的方差所報(bào)告的精度可能和它實(shí)際的精度大不相同。濾波器完整性的目的，是保證其誤差方差陣預(yù)測(cè)的性能接近實(shí)際的估計(jì)誤差的統(tǒng)計(jì)特性。此外，濾波器的發(fā)散通常是由于系統(tǒng)模型和量測(cè)模型的改變或傳感器誤差引起的。殘差檢測(cè)方法能有效地檢測(cè)硬和軟故障及濾波器的發(fā)散。殘差鑒測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)之一是當(dāng)模型正確時(shí)，殘差序列的統(tǒng)計(jì)特性是已知的。這樣，較易實(shí)現(xiàn)使用量測(cè)殘差的統(tǒng)計(jì)分布檢驗(yàn)進(jìn)行量測(cè)編輯和發(fā)散檢測(cè)，同樣的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)也能用來(lái)為檢測(cè)出濾波發(fā)散時(shí)輔助濾波器調(diào)諧和方差大小的調(diào)整。由于狀態(tài)誤差方差陣被投影進(jìn)量測(cè)幾何關(guān)中進(jìn)而影向殘差的統(tǒng)計(jì)特性，因此為保證合理的誤警速率，誤差方差陣必須是精確的，至小是保守的。這要求所有已知的量測(cè)誤差應(yīng)當(dāng)被適當(dāng)?shù)亟６蚁到y(tǒng)模型應(yīng)當(dāng)相當(dāng)精確。一種被稱為施密特一卡爾曼濾波器(Schnidt-Kalman)的降階濾波器被考慮使用，它允許一些特定的狀態(tài)被考慮但不作出估計(jì)。由于一些非線性效應(yīng)能被包含在量測(cè)模型中，因而這種濾波器有較寬待收斂泛圍。在FCKGA中，開(kāi)發(fā)魯棒的多模式組合導(dǎo)航卡爾曼濾波器執(zhí)行IMU空中對(duì)準(zhǔn)、誤差校正、導(dǎo)航解算是關(guān)鍵的技術(shù)核心。所有的原始測(cè)量，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)融合和故障檢測(cè)和融離處理之后，和一些相應(yīng)的指令被一起送入多模式組合卡爾曼濾波器，因而除多模式濾波器設(shè)計(jì)之外，好幾種預(yù)處理過(guò)程應(yīng)當(dāng)首先實(shí)現(xiàn)。它們包括GPS/IMU故障檢測(cè)，識(shí)別，隔離，以便于可靠的量測(cè)被送入多模式導(dǎo)航濾波器，反過(guò)來(lái)多模式導(dǎo)航濾波器的正確輸出又能用來(lái)得以進(jìn)行正確的故障分析。參見(jiàn)圖10，第4步驟中，魯棒統(tǒng)計(jì)和估計(jì)被用于導(dǎo)航求解模塊(606)的方差分析，以便于提供P-V-A輔助信息，系統(tǒng)重構(gòu)指令以及可靠的導(dǎo)航結(jié)果。發(fā)展的故障分析算法能有效地檢測(cè)隔離，補(bǔ)償衛(wèi)星信號(hào)故障和IMU傳感器故障，能使系統(tǒng)為戰(zhàn)術(shù)武器等載體的控制系統(tǒng)提供滿足要求的導(dǎo)航和制導(dǎo)信號(hào)。來(lái)自人機(jī)界面的模型選擇指令和濾波器參數(shù)被指令模塊(601)接收和解釋，其結(jié)果被輸出給模型選擇模塊(603)。來(lái)自模糊求解模塊(50)的GPS量測(cè)，來(lái)自信號(hào)解碼模塊(30)的GPS衛(wèi)星星歷，以及來(lái)自導(dǎo)航解算模塊(40)的INS導(dǎo)航參數(shù)被數(shù)據(jù)模塊(602)接收並送入模型選擇模塊(603)?；诮邮盏降哪Ｐ瓦x擇指令和濾波器參數(shù)以及GPS和INS所有可獲得的量測(cè)，模型選擇模塊(603)作出當(dāng)前全整合定位的處理模式，並將相應(yīng)的系統(tǒng)模型和量測(cè)模型送入組合導(dǎo)航系統(tǒng)重構(gòu)模塊(604)，模式選擇模塊可能選擇的模式包括1)GPS/IMU P-V(位置和速度)組合模式2)無(wú)GPS跟蹤環(huán)路輔助的GPS/IMU(ρ/Δν+Δθ)(偽距和偽距率)組合模式3)有GPS跟蹤環(huán)路輔助的GPS/IMU(ρ/Δν+Δθ)(偽距和偽距率)組合模式4)無(wú)GPS跟蹤環(huán)路輔助的GPS/IMU(ρ+φ/Δν+Δθ)(偽距，偽距率和載波相位)組合模式5)有GPS跟蹤環(huán)路輔助的GPS/IMU]ρ+φ/Δν+Δθ)(偽距，偽距率和載波相位)組合模式來(lái)自模型選擇模塊(603)的系統(tǒng)模式和量測(cè)模式以及濾波器的量測(cè)被組合導(dǎo)航系統(tǒng)重構(gòu)模塊(604)接收，並用來(lái)執(zhí)行系統(tǒng)模型的離散化操作以及量測(cè)模型的線性化操作。基于來(lái)自導(dǎo)航信息協(xié)方差分析模塊(606)的量測(cè)殘差檢測(cè)的結(jié)果，組合導(dǎo)航系統(tǒng)重構(gòu)模塊(604)調(diào)整系統(tǒng)模型的協(xié)方差矩陣，並將之送入導(dǎo)航求解的魯棒卡爾曼濾波器。來(lái)自組合導(dǎo)航系統(tǒng)重構(gòu)模塊(604)的離散的系統(tǒng)模型和線性化的量測(cè)模型和調(diào)整之后的系統(tǒng)模型的協(xié)方差陣以及形成的濾波器量測(cè)，被導(dǎo)航求解的魯棒卡爾曼濾波器模塊(605)接收。使用接收到的數(shù)據(jù)，導(dǎo)航求解的魯棒卡爾曼濾波器(605)作出慣性導(dǎo)航參數(shù)誤差，慣性傳感器誤差，以及GPS量測(cè)誤差的最優(yōu)估計(jì)，並將之送入導(dǎo)航求解模塊(40)，並輸出慣性導(dǎo)航參數(shù)誤差和GPS測(cè)量誤差的最優(yōu)估計(jì)以及導(dǎo)航參數(shù)給相位模糊求解模塊(50)。輸出量測(cè)殘差和系統(tǒng)過(guò)程的協(xié)方差陣給導(dǎo)航結(jié)果的協(xié)方差分析模塊(606)，輸出導(dǎo)航系統(tǒng)的最優(yōu)輸出，給位置，速度，姿態(tài)和時(shí)間等。魯棒卡爾曼濾波器可以以全階卡爾曼濾波器實(shí)現(xiàn)，也可以降階卡爾曼濾波器實(shí)現(xiàn)，如施密特一卡爾曼濾波器。如果導(dǎo)航求解的魯棒卡爾曼濾波器(605)被置于GPS/IMU P-V組合模式，一個(gè)單獨(dú)的GPS導(dǎo)航求解模塊可包含在導(dǎo)航求解的魯棒卡爾曼濾波器(605)之中，以便能獲得GPS量測(cè)導(dǎo)出的位置和速度。單獨(dú)的GPS導(dǎo)航求解模塊可以是點(diǎn)解法(pointsolution)算法或是卡爾曼濾波算法。來(lái)自導(dǎo)航求解的魯棒卡爾曼濾波器(605)的濾波器量測(cè)殘差和系統(tǒng)模型的協(xié)方差陣被導(dǎo)航結(jié)果的協(xié)方差分析模塊(606)接收，用以執(zhí)行濾波器發(fā)散檢驗(yàn)?；跒V波器發(fā)散檢驗(yàn)的結(jié)果，導(dǎo)航結(jié)果的協(xié)方差分析模塊(606)輸出系統(tǒng)模型的協(xié)方差陣的調(diào)整值給組合導(dǎo)航系統(tǒng)重構(gòu)模塊(604)，以便于保持系統(tǒng)的穩(wěn)定。參見(jiàn)第11圖，本發(fā)明的完全整合或?qū)Ш蕉ㄎ环椒捌湎到y(tǒng)包含以下器件1)一個(gè)GPSRF模塊(801)，用以接收GPSRF信號(hào)；2)一個(gè)GPS數(shù)字信號(hào)處理z模塊(802)，用以外理接收到的GPS信號(hào)，獲得GPS的量測(cè)；3)一個(gè)IMU數(shù)據(jù)采樣模塊(806)，用以收集IMU的量測(cè)數(shù)據(jù)；4)一個(gè)集中處理式導(dǎo)航卡爾曼濾波器(803)，用以接收並處理IMU和GPS的量測(cè)；5)一個(gè)接口模塊(804)，用以實(shí)現(xiàn)與其它航電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和控制信息的通信；6)一個(gè)定時(shí)信號(hào)合成模塊(805)，用以給其它器件提供定時(shí)信號(hào)和本地參考信號(hào)；GPSRF模塊(801)接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的RF信號(hào)，將之放大並下變頻到IF信號(hào)。GPS數(shù)字信號(hào)處理模塊(802)對(duì)模擬的IF信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，並在一DSP(數(shù)字信號(hào)外理機(jī))內(nèi)執(zhí)行外部IMU V-A輔助的DLL和PLL操作，以及導(dǎo)航信息的解碼，輸出原始量測(cè)數(shù)據(jù)和導(dǎo)航信息。集中處理式導(dǎo)航濾波器是組合導(dǎo)航系統(tǒng)的心臟，它使用魯棒卡爾曼濾波技術(shù)執(zhí)行導(dǎo)航解算並動(dòng)態(tài)校正IMU誤差。此外加速度和速度信息被反饋回GPS數(shù)字信號(hào)處理模塊(802)用以輔助GPS接收機(jī)的碼和載波相位跟蹤環(huán)路，以便提高GPS接收器件的動(dòng)態(tài)性能。定時(shí)信號(hào)合成模塊(802)是一個(gè)頻率參考器件，用以為GPS RF模塊提供本地參考信號(hào)，為GPS數(shù)字信號(hào)外理模塊(802)和IMU數(shù)據(jù)采樣模塊(806)提供同步控制頻率和信號(hào)。IMU數(shù)據(jù)采樣模塊(806)是一個(gè)IMU數(shù)據(jù)采樣和變換模塊。接口模塊(804)用以實(shí)現(xiàn)與其它航電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和控制信號(hào)的通信。GPS RF模塊(801)通過(guò)一個(gè)接口，如電纜，與GPS數(shù)字信號(hào)處理模塊(802)和定時(shí)信號(hào)合成模塊(805)相連，進(jìn)一步包括下列組件A一個(gè)GPS無(wú)線和多個(gè)GPS天線，用以接收GPS衛(wèi)星發(fā)出的信號(hào)；BRF-IF變頻器，它連接于GPS天線和GPS數(shù)字信號(hào)處理模塊(802)之間，並與定時(shí)信號(hào)合成模塊(805)相連以便取得本地參考信號(hào)，RF-IF變頻器將來(lái)自GPS天線的GPS RF信號(hào)，下變頻到GPS IF信號(hào)，並將之輸出到GPS數(shù)字信號(hào)外理模塊(802)一個(gè)放大器可以連接在GPS天線和RF-IF變頻器之間，用以放大GPS信號(hào)，提高GPS信號(hào)的信號(hào)一噪聲比。GPS數(shù)字信號(hào)處理模塊(802)連接在GPS RF模塊(801)和集中處理式卡爾曼濾波器(803)之間，同時(shí)也與定時(shí)信號(hào)合成器(805)相連，以便獲得定時(shí)信號(hào)。GPS數(shù)字信號(hào)處理模塊(802)進(jìn)一步包括下列器件A一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，它連接在GPS RF模塊(801)的RF-IF變頻器和一個(gè)DSP外理機(jī)之間，用來(lái)采樣來(lái)自GPS RF模塊(801)的RF-IF變頻器的GPS IF信號(hào)。B一DSP處理機(jī)，它連接在A/D轉(zhuǎn)換器和集中式處理導(dǎo)航卡爾曼濾波器(803)之間，用以跟蹤和外理GPS數(shù)字信號(hào)，以便獲得GPS量測(cè)，並將之輸出給集中式處理導(dǎo)航卡爾曼濾波器(803)。一個(gè)IF一基帶變頻器可連接在GPS IF模塊(801)RF-IF變頻器和A/D轉(zhuǎn)換器之間，以便進(jìn)一步將IF信號(hào)下變頻至基帶信號(hào)，並將之輸出給A/D變換器。集中處理式導(dǎo)航卡爾曼濾波器(803)是一微外理機(jī)，它與GPS數(shù)字信號(hào)外理模塊(802)和接口模塊(804)，以及IMU數(shù)據(jù)采樣模塊(806)相連，以便處理來(lái)自數(shù)字信號(hào)處理模塊(802)的GPS測(cè)量和來(lái)自IMU數(shù)據(jù)采樣模塊(806)的IMU測(cè)量。接口模塊(804)與集中處理式導(dǎo)航卡爾曼濾波器(803)相連，用以實(shí)現(xiàn)與其它航電系統(tǒng)的通信，它可能包含以下幾種類型1)申行信號(hào)接口，包括同步通信接口和升步通信接口，諸如RS-232接口，或RS-422接口，RS-485接口等；2)並行數(shù)字信號(hào)接口；3)綱絡(luò)適配接口，給NE2000適配卡；4)總線接口，如MIL-1553總線和ARIC429接口IMU數(shù)據(jù)采樣模塊(806)連接于集中外理式導(dǎo)航卡爾曼濾波器(803)和同步信號(hào)合成模塊(805)，它可能有多種類型，包括1)基于D/A轉(zhuǎn)換的IMU數(shù)據(jù)采樣模塊，用于適當(dāng)應(yīng)一個(gè)具有模擬信號(hào)輸出的IMU；2)基于脈沖計(jì)數(shù)電路的IMU數(shù)據(jù)采樣模塊，用于適應(yīng)一個(gè)具有脈沖輸出信號(hào)的IMU；3)基于申行數(shù)字通信電路的IMU數(shù)據(jù)采樣模塊，用于適應(yīng)一個(gè)具有串行數(shù)字信號(hào)接口的IMU；4)基于並行數(shù)字信號(hào)通信電路的IMU數(shù)據(jù)采樣模塊，用于適應(yīng)一個(gè)具有並行數(shù)字信號(hào)接口的IMU；5)基于綱絡(luò)適配電路的IMU數(shù)據(jù)采樣模塊，用于適應(yīng)一個(gè)具有綱絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)接口的IMU；6)基于總線標(biāo)準(zhǔn)電路的IMU數(shù)據(jù)采樣模塊，用于適應(yīng)一個(gè)具有標(biāo)準(zhǔn)總線接口的IMU給果GPS數(shù)字信號(hào)處理模塊(802)或集中處理式導(dǎo)航卡爾曼濾波器(803)的微外理機(jī)具有足夠的速度和容量，則可取消集中處理式導(dǎo)航卡爾曼濾波器的微處理機(jī)或GPS數(shù)字信號(hào)處理模塊(802)的微處理機(jī)，將集中處理式導(dǎo)航卡爾曼濾波器(803)的操作任務(wù)配置給GPS數(shù)字信號(hào)處理模塊(802)的微處理機(jī)，或?qū)PS數(shù)字信號(hào)處理模塊(802)的處理任務(wù)配置給集中處理式導(dǎo)航卡爾曼濾波器(803)的微處理機(jī)。正在發(fā)展中的先進(jìn)IMU中，微外理機(jī)被嵌入IMU的電子電路中，以便于提高IMU的性能和適應(yīng)新型慣性傳感器。進(jìn)而，如果IMU的微外理機(jī)的速度和容量足夠大，則集中外理式導(dǎo)航卡爾曼濾波器(803)的外理任務(wù)可被配置給IMU的微外理機(jī)。GPS數(shù)字信號(hào)外理模塊(802)，集中外理或?qū)Ш娇柭鼮V波器(803)，接口模塊(804)IMU數(shù)據(jù)采樣模塊(806)，以及定時(shí)信號(hào)合成模塊(805)之間的連接方式，可采用以下方式1)基于總線設(shè)計(jì)的連接方式2)基于通信口設(shè)計(jì)的連接方式3)基于綱絡(luò)的連接方式
權(quán)利要求
(1)一種用于運(yùn)載體的完全整合式導(dǎo)航定位處理方法，包含以下步驟(a)接收來(lái)自一慣性測(cè)量?jī)x(IMU)的該運(yùn)載體的角速率和加速度測(cè)量，為該慣性測(cè)量?jī)x的導(dǎo)航方程計(jì)算一初始值，(b)接收全球定位系統(tǒng)(GPS)無(wú)線電信號(hào)，提取該GPS偽距(pseudorange)偽距率(deltarange)和載波相位(carrierphase)測(cè)量值，(c)接收該慣性測(cè)量?jī)x的角速率和加速度信息，求解該導(dǎo)航方程，得出慣性導(dǎo)航信息，包括位置，速度，姿態(tài)等，(d)混合該GPS偽距，偽距率和載波相位量測(cè)以及該慣性導(dǎo)航信息，以便獲得完全整合式定位結(jié)果。
(2)如申請(qǐng)專利范圍第1項(xiàng)所述之一完全整合式導(dǎo)航定位處理方法，其中，在第(a)步驟，進(jìn)一步包含一處理步驟，即從至少一個(gè)外部傳感器中接收該運(yùn)載體的位置，速度，姿態(tài)測(cè)量。
(3)如申請(qǐng)專利范圍第2項(xiàng)所述之一完全整合式導(dǎo)航定位處理方法，其中第(a)步驟中，該慣性測(cè)量?jī)x是一安裝在戰(zhàn)術(shù)武器上的慣性測(cè)量?jī)x，該戰(zhàn)術(shù)武器安裝在一發(fā)射平臺(tái)上，該戰(zhàn)術(shù)武器的慣性測(cè)量?jī)x和該發(fā)射平臺(tái)的慣性測(cè)量?jī)x的測(cè)量或?qū)Ш絽?shù)被一對(duì)準(zhǔn)濾波器處理，以便為該慣性測(cè)量?jī)x的導(dǎo)航方程提供最優(yōu)的初始信息。
(4)如申請(qǐng)專利范圍第2項(xiàng)所述之一完全整合式導(dǎo)航定位處理方法，其中在第(a)步驟中，該外部傳感器是一全球定位系統(tǒng)接收機(jī)。其中，來(lái)自該全球定位系統(tǒng)接收機(jī)的位置和速度，和一不精確的姿態(tài)信息被首先作為該慣性測(cè)量?jī)x的導(dǎo)航方程的初值，然后再用該全球定位系統(tǒng)的信號(hào)對(duì)該慣性測(cè)量進(jìn)行精對(duì)準(zhǔn)。
(5)如申請(qǐng)專利范圍第4項(xiàng)所述之一完全整合式導(dǎo)航定位處理方法，其中在第(b)步驟，該全球定位系統(tǒng)信號(hào)是由該全球定位系統(tǒng)接收機(jī)的一載波相位鎖定環(huán)路和一碼跟蹤環(huán)路進(jìn)行跟蹤處理的，在該載波相位鎖定環(huán)路和該碼跟蹤環(huán)路中，該跟蹤處理是由來(lái)自第(d)步驟的該完全整合式定位信息進(jìn)行輔助的。
(6)如申請(qǐng)專利范圍第5項(xiàng)所述之一完全整合式導(dǎo)航定位處理方法，其中在第(c)步驟中，該慣性導(dǎo)航結(jié)果的誤差由來(lái)自第(d)步驟的該慣性導(dǎo)航參數(shù)誤差的最優(yōu)估計(jì)進(jìn)行補(bǔ)償。
(7)如申請(qǐng)專利范圍第6項(xiàng)所述之一完全整合式導(dǎo)航定位處理方法，在第(b)步驟之后，進(jìn)一步包含一附加步驟，即執(zhí)行載波相位模糊整數(shù)求解和周跳檢測(cè)，以便該GPS載波相位測(cè)量可被用于第(d)步驟。
(8)如申請(qǐng)專利范圍第7項(xiàng)所述之一完全整合式導(dǎo)航定位處理方法，其中在第(b)步驟之后，進(jìn)一步包含一附加步驟，即用來(lái)自身(d)步驟的該完全整合式定位信息輔助該載波相位模糊整數(shù)求解和周跳檢測(cè)處理。
(9)如申請(qǐng)專利范圍第1項(xiàng)所述之一完全整合式導(dǎo)航定位處理方法，其中在第(d)步驟中，該GPS偽距，偽距率和載波相位量測(cè)以及該慣性導(dǎo)航信息由一組合卡爾曼濾波器混合。
(10)如申請(qǐng)專利范圍第8項(xiàng)所述之一完全整合式導(dǎo)航定位處理方法，其中在第(d)步驟中，該該GPS偽距，偽距率和載波相位量測(cè)以及該慣性導(dǎo)航信息由一組合卡爾曼濾波器混合。
(11)如申請(qǐng)專利范圍第1項(xiàng)所述之一完全整合式導(dǎo)航定位處理方法，其中在第(d)步驟中，該GPS偽距，偽距率和載波相位量測(cè)以及該慣性導(dǎo)航信息，由一多模式魯棒卡爾曼濾波器(Multi-modekdmanfilter)進(jìn)行混合，該一多模式魯棒卡爾曼濾波器至少包含下列之一的操作模式。一GPS/IMU P-V(位置和速度)組合模式；一無(wú)GPS跟蹤環(huán)路輔助的GPS/IMU(ρ/Δν+Δθ)(偽距和偽距率)組合模式；一有GPS跟蹤環(huán)路輔助的GPS/IMU(ρ/Δν+Δθ)(偽距和偽距率)組合模式；一無(wú)GPS跟蹤環(huán)路輔助的GPS/IMU(ρ+φ/Δν+Δθ)(偽距，偽距率和載波相位)組合模式；一有GPS跟蹤環(huán)路輔助的GPS/IMU]ρ+φ/Δν+Δθ)(偽距，偽距率和載波相位)組合模式；
(12)如申請(qǐng)專利范圍第10項(xiàng)所述之一完全整合式導(dǎo)航定位處理方法，其中在第(d)步驟中，該GPS偽距，偽距率和載波相位量測(cè)以及該慣性導(dǎo)航信息，由一多模式魯棒卡爾曼濾波器(Multi-mode kalman filter)進(jìn)行混合，該一多模式魯棒卡爾曼濾波器至少包含下列之一的操作模式。一GPS/IMU P-V(位置和速度)組合模式；一無(wú)GPS跟蹤環(huán)路輔助的GPS/IMU(ρ/Δν+Δθ)(偽距和偽距率)組合模式；一有GPS跟蹤環(huán)路輔助的GPS/IMU(ρ/Δν+Δθ)(偽距和偽距率)組合模式；一無(wú)GPS跟蹤環(huán)路輔助的GPS/IMU(ρ+φ/Δν+Δθ)(偽距，偽距率和載波相位)組合模式；一有GPS跟蹤環(huán)路輔助的GPS/IMU]ρ+φ/Δν+Δθ)(偽距，偽距率和載波相位)組合模式；
(13)如申請(qǐng)專利范圍第10項(xiàng)所述之一完全整合式導(dǎo)航定位處理方法，其中，來(lái)自該慣性測(cè)量?jī)x的該機(jī)體角速率和加速度信息，在該慣性導(dǎo)航求解模塊中被進(jìn)一步處理，其結(jié)果被送入該組合卡爾曼濾波器，該組合卡爾曼濾波器提供的誤差估計(jì)，被反饋回該慣性導(dǎo)航求解模塊，用以補(bǔ)償位置誤差，速度誤差以及傳感器誤差。
(14)如申請(qǐng)專利范圍第13項(xiàng)所述之一完全整合式導(dǎo)航定位處理方法，其中該GPSRF信號(hào)被一GPS天線接收，然后經(jīng)該GPS RF/IF模塊，該載波和碼跟蹤環(huán)路，該載波相位模糊求解模塊，以及該信息解碼模塊外理之后，被送入該組合卡爾曼濾波器，同時(shí)來(lái)自該組合卡爾曼濾波器的最優(yōu)速度和加速度信息被反饋回該載波和碼跟蹤回路，輔助載波和碼跟蹤外理，來(lái)自該慣性導(dǎo)航求解模塊的位置，速度，姿態(tài)信息被輸入該相位模糊求解模塊，用來(lái)輔助求解GPS載波相位模糊整數(shù)。
(15)一種用于運(yùn)載體之完全整合式導(dǎo)航定位系統(tǒng)，包含以下部件一全球定位系統(tǒng)(GPS)無(wú)線電(RF)信號(hào)模塊，用以接收GPSRF信號(hào)放大該GPSRF信號(hào)，並將該GPSRF信號(hào)下變頻到中頻(IF)信號(hào)；一GPS數(shù)字信號(hào)處理模塊，用以采樣該GPS IF信號(hào)，並提取出GPS偽距，偽距率和載波相位測(cè)量；一IMU數(shù)據(jù)采樣模塊，用收集來(lái)自一慣性測(cè)量組件(IMU)的角速率和加速度信號(hào)；一集中處理式導(dǎo)航卡爾曼濾波器，用以接收和處理該GPS偽距，偽距率和載波相位測(cè)量，以及來(lái)自該IMU的角速率和加速度測(cè)量；至少一個(gè)接口模塊，用以實(shí)現(xiàn)和其它航電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和控制信息的通信；一定時(shí)信號(hào)合成模塊，用以為上述部件提供定時(shí)信號(hào)和本地參考信號(hào)。
(16)如申請(qǐng)專利范圍第15項(xiàng)所述之一完全整合式導(dǎo)航定位系統(tǒng)，其中該接口模塊，連接于該集中處理式導(dǎo)航卡爾曼濾波器，用于實(shí)現(xiàn)與其它航電系統(tǒng)的通信，該接口模塊是一串行信號(hào)接口，包括同步通信接口和異步通信接口。
(17)如申請(qǐng)專利范圍第15項(xiàng)所述之一完全整合式導(dǎo)航定位系統(tǒng)，其中該接口模塊，連接于該集中處理式導(dǎo)航卡爾曼濾波器，用于實(shí)現(xiàn)與其它航電系統(tǒng)的通信，該接口模塊是一並行數(shù)字信號(hào)接口。
(18)如申請(qǐng)專利范圍第15項(xiàng)所述之一完全整合式導(dǎo)航定位系統(tǒng)，其中該接口模塊，連接于該集中處理式導(dǎo)航卡爾曼濾波器，用于實(shí)現(xiàn)與其它航電系統(tǒng)的通信，該接口模塊是一綱絡(luò)適配器(adapter)。
(19)如申請(qǐng)專利范圍第15項(xiàng)所述之一完全整合式導(dǎo)航定位系統(tǒng)，其中該接口模塊，連接于該集中處理式導(dǎo)航卡爾曼濾波器，用于實(shí)現(xiàn)與其它航電系統(tǒng)的通信，該接口模塊是一總線接口。
(20)如申請(qǐng)專利范圍第15項(xiàng)所述之一完全整合式導(dǎo)航定位系統(tǒng)，其中，該IMU數(shù)據(jù)采集模塊，連接于該集中處理式導(dǎo)航卡爾曼濾波器和該定時(shí)信號(hào)合成器，是一基于脈沖計(jì)數(shù)電路的模塊，以便適應(yīng)具有脈沖信號(hào)輸出的該IMU。
(21)如申請(qǐng)專利范圍第16項(xiàng)所述之一完全整合式導(dǎo)航定位系統(tǒng)，其中，該IMU數(shù)據(jù)采集模塊，連接于該集中處理式導(dǎo)航卡爾曼濾波器和該定時(shí)信號(hào)合成器，是一基于串行數(shù)字信號(hào)通信電路的模塊，以便適應(yīng)具有串行數(shù)字信號(hào)輸出接口的該IMU。
(22)如申請(qǐng)專利范圍第17項(xiàng)所述之一完全整合式導(dǎo)航定位系統(tǒng)，其中，該IMU數(shù)據(jù)采集模塊，連接于該集中處理式導(dǎo)航卡爾曼濾波器和該定時(shí)信號(hào)合成器，是一基于並行數(shù)字信號(hào)通信電路的模塊，以便適應(yīng)具有並行數(shù)字信號(hào)輸出接口的該IMU。
(23)如申請(qǐng)專利范圍第18項(xiàng)所述之一完全整合式導(dǎo)航定位系統(tǒng)，其中，該IMU數(shù)據(jù)采集模塊，連接于該集中處理式導(dǎo)航卡爾曼濾波器和該定時(shí)信號(hào)合成器，是一基于綱絡(luò)適配電路的模式，以便于適應(yīng)具有綱絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)輸出的該IMU。
(24)如申請(qǐng)專利范圍第19項(xiàng)所述之一完全整合式導(dǎo)航定位系統(tǒng)，其中，該IMU數(shù)據(jù)采集模塊，連接于該集中處理式導(dǎo)航卡爾曼濾波器和該定時(shí)信號(hào)合成器，是一基于總線標(biāo)準(zhǔn)的模塊，以便于適應(yīng)具有總線標(biāo)準(zhǔn)總線輸出的該IMU。
(25)如申請(qǐng)專利范圍第15項(xiàng)所述之一完全整合式導(dǎo)航定位系統(tǒng)，其中，該GPS數(shù)字信號(hào)處理模塊，該集中處理式導(dǎo)航卡爾曼濾波器，該接口模塊，該IMU數(shù)據(jù)采樣電路以及該定時(shí)信號(hào)合成模塊之間的連接是基于總線的連接結(jié)構(gòu)。
(26)如申請(qǐng)專利范圍第15項(xiàng)所述之一完全整合式導(dǎo)航定位系統(tǒng)，其中，該GPS數(shù)字信號(hào)處理模塊，該集中處理式導(dǎo)航卡爾曼濾波器，該接口模塊，該IMU數(shù)據(jù)采樣電路以及該定時(shí)信號(hào)合成模塊之間的連接是基于通信口的連接結(jié)構(gòu)。
(27)如申請(qǐng)專利范圍第15項(xiàng)所述之一完全整合式導(dǎo)航定位系統(tǒng)，其中，該GPS數(shù)字信號(hào)處理模塊，該集中處理式導(dǎo)航卡爾曼濾波器，該接口模塊，該IMU數(shù)據(jù)采樣電路以及該定時(shí)信號(hào)合成模塊之間的連接是基于綱絡(luò)的連接結(jié)構(gòu)。
全文摘要
一種完全整合式導(dǎo)定位方法和系統(tǒng),它使用來(lái)自全球定位接收機(jī)和慣性測(cè)量?jī)x的量測(cè)來(lái)測(cè)量陸地,空中,太空中的運(yùn)載體之位置。組合卡爾曼濾波器用來(lái)處理全球定位接收機(jī)的所有量測(cè):偽距,偽距率和載波相位量測(cè),以及慣生導(dǎo)航系統(tǒng)的結(jié)果。組合卡爾曼濾波器是一多模式魯棒卡爾曼濾波器,它基于量測(cè)的可用性和濾波器的穩(wěn)定性,選擇最優(yōu)的組合模式。經(jīng)組合卡爾曼濾波器校正之后的高精度慣性導(dǎo)航信息,用來(lái)動(dòng)態(tài)輔助全球定位系統(tǒng)的載波相位模糊整數(shù)的動(dòng)態(tài)求解,以便載波相位模糊整數(shù)可用于組合卡爾曼濾波器,該慣性導(dǎo)航信息也用來(lái)輔助全球定位接收機(jī)的載波相位和碼跟蹤環(huán)路,以便提高接收機(jī)的抗干擾能力和高動(dòng)態(tài)性能。
文檔編號(hào)G01S19/49GK1361431SQ00137730
公開(kāi)日2002年7月31日 申請(qǐng)日期2000年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月23日
發(fā)明者林清芳 申請(qǐng)人:林清芳